CERN-Gran Sasso 的中微子超光速实验

从昨天（09/22/2011）旁晚开始，物理界好像炸了锅，疯传一则消息：CERN （日内瓦）和Gran Sasso  （巨岩，意大利）的中微子实验发现，中微子的传播速度超过光速！今天纽约时报等大小报纸也跟着凑热闹：二十世纪最有名的物理公式，

E=mc²

中的c 不是常数了 ！似乎爱因斯坦就要完蛋了！

别忙着下结论，先看一下CERN 和Gran Sasso  到底干了什麼。

CERN 和Gran Sasso  两个实验室我都去过。前者拥有世界最大的粒子加速器，后者是世界最大的地下的粒子和天体物理实验室。CERN – Gran Sasso  的中微子实验，想法很简单，如图1所示，在日内瓦的CERN（图左边）产生一束中微子，射向意大利的Gran Sasso  （图右边）。 他们 测量中微子从CERN  飞到Gran Sasso的时间，又知道，CERN  到Gran Sasso的距离，就测得中微子的飞行速度了。

图1：  虚线是 中微子从  CERN  到Gran Sasso  传播途径

由于地球是球状的，中微子从  CERN  到Gran Sasso  的直线传播途径都在地下。中微子可在地球中自由穿行，如入无人之境。中微子传播途径（图1的虚线）对应的地面上，有许多有名的地方：勃朗峰 （阿尔卑斯山的最高峰），Piemonte  （葡萄名酒产地），佛罗伦萨（文艺复兴的源点），Arezzo （著名电影“美丽人生”的故事背景所在地，影片在戛纳电影节试映时，全体观众起立鼓掌长达12分钟之久，个个含泪步出影院。它是我看过的所有二战影片中，最好的）……

中微子地下直线穿行距离732公里，根据中微子在CERN的发射时间和在Gran Sasso 接受时间，就可求出中微子的穿行速度。该实验团队宣称，中微子的穿行速度比标准的光速（299792458  米/秒）大    0.0025%。昨晚，他们的论文已在网上贴出（见arXiv：1109.4897v1），题目是“Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector”，作者共174人，来自大小诸国。在大国中，有法，意，日，德，俄，没有美，英，中。

直到写此文的时候，同行对CERN – Gran Sasso 结果的态度，似乎持保留或观望的居多（当然，我是在美国的统计）。

原因之一是，它与超新星1978A 的观测结果矛盾。超新星爆发时会产生强光及中微子。1978A爆发时，小柴昌俊,（Masatoshi Koshiba，获2002年物理诺奖 ）的地下中微子实验室接受到了中微子信号。而且，中微子信号到达时间几乎同1978A的光信号几乎一样。由于1978A距地球约17万光年，如果光速度与中微子速度哪怕只有极小（10^-9）的差别，中微子信号也不可能与光信号同时到达地球。跑得快者先到，慢者后到。而CERN – Gran Sasso 结果是光速度与中微子速度有10^-5 的差别。果如此，光信号将比中微子信号晚很多年。

所以，还不忙接受CERN – Gran Sasso 的结果。

等等看， CERN – Gran Sasso 的中微子实验结果能否被其他独立的实验证实。日本的超级神冈探测器，美国费米实验室的设备，都可能重复做类似的实验。

有人已经急着建立新理论了，说中微子速度之所以比光快，是因为中微子走了（高维空间中的）捷径云云。暂时不必当真。

1987年，Gran Sasso 实验室正在建设时，我去过一次。Gran Sasso 实验室建在Gran Sasso 山底部。它由三个大山洞组成。山洞之间有隧道相通。与外界联系也是隧道  （图2）

图2：Gran   Sasso 实验室的示意图。它由三个实验室山洞和隧道组成。隧道可通汽车。

Gran Sasso 实验室由意大利修公路的公司承建。意大利的高速公路，山洞极多。给实验室挖几个山洞，不在话下。听说，贵州的高速公路也是意大利公司承建，因为山洞极多。

2006 年，当CERN  – Gran Sasso  中微子实验在建设时，我又去过 Gran Sasso  (图3)。从照片可以看到山洞实验大厅的规模，CERN-Gran Sasso 中微子实验的终端探测器OPERA （The Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus），即建于此大厅里。OPERA这个名字是着意取的，不懂一点威尔弟，普契尼，大概很难混进OPERA 团队。

图3:   2006年我和同事访问CERN-Gran Sasso 中微子实验山洞。

Gran Sasso 是风景旅游胜地（图4）。但在    Gran Sasso实验室里工作，却极为单调烦闷，因为环境孤立。只有在孤立安静的环境中才有可能探测到中微子的微弱信号。在    Gran Sasso实验室，常常雇人来做单

图4，Gran  Sasso  景观

调烦闷的工作，但工资不菲。九十年代时，Gran Sasso实验室一直雇有这类中国雇员。他们大多是中国科学院的年轻研究人员。现在几乎没有了，或雇不到了，因为中国科学院的工资也不菲了。

9/23/ 2011,   Tucson